скачать книгу бесплатно
Вернемся теперь к обсуждению основного вопроса: каким образом может быть нарушен раскрытый упомянутыми выше нобелевскими лауреатами столь совершенный рецепторный механизм регулирования ЛПНП и содержания холестерина в клетке и крови?
Клеточный рецептор ЛПНП, как мы отметили выше, – это белок. Мы теперь знаем, что первичная структура всех белков записана в генах, при этом дважды: один ген находится в отцовской хромосоме, другой – в материнской. Исследования М. Брауна и Д. Гольдштейна показали, что наследственные нарушения метаболизма ЛПНП связаны главным образом с мутацией генов, кодирующих рецептор ЛПНП. К настоящему периоду выявлены 4 моногенные формы семейной гиперхолестеринемии (СГХС), в основе которой лежит нехватка рецепторов ЛПНП в печеночных и других соматических клетках или их изъян в работе. При нехватке или дефектной работе рецепторов ЛПНП плохо захватываются клетками-потребителями холестерина, накапливаются в циркулирующей крови, что является не только причиной СГХС, но и основой развития многоступенчатого атеросклеротического процесса, который мы и будем рассматривать в дальнейшем.
Причина этой формы наследственной СГХС – мутация в одном из моногенов 19-й хромосомы, контролирующем синтез рецепторов ЛПНП. Чаще всего в случае наследственной гиперхолестеринемии поврежден один из двух генов, кодирующих белок-рецептор. В этом случае, как мы отмечали выше, говорят о гетерозиготной форме наследственной болезни. Этот вид мутации распространен в странах Восточной Европы. У людей с таким мутантным геном половина рецепторов просто не работает. Таким людям рано грозит атеросклероз, поскольку концентрация холестерина в крови достигает очень высоких значений в возрасте 35—40 лет, что приводит к выраженному атеросклерозу и риску инфаркта миокарда. Исследования показали, что среди 60-летних пациентов с ишемической болезнью сердца у каждого 20-го болезнь вызвана в дефекте гена, кодирующего рецептор. Заметим здесь, что в настоящее время концентрация холестерина у таких больных может быть доведена до нормы приемом статинов, терапевтические свойства которых мы подробно обсудим ниже.
Полезно для читателя отметить, что характерным признаком гетерозиготной формы семейной гиперхолестеринемии является ксантоматоз – отложение холестерина в сухожилиях, приводящее к их резкому утолщению, а также инфильтрация холестерина вдоль края радужной оболочки – липоидная дуга роговицы.
В том случае, когда оба родителя имеют отмеченный выше дефект в 19-й хромосоме, то рождающийся у них наследник приобретает гомозиготный вариант наследственной гиперхолестеринемии, обусловленный наличием у него сразу двух мутантных гена. Такие люди живут недолго. Спасением их жизни может быть трансплантация печени. К счастью, гомозиготный вариант наследственной СГХС встречается значительно реже – 1 человек на 1 млн.
Второй тип мутации, приводящей к СГХС, – это дефект синтеза апопротеина В-100 – основной белковой частицы ЛПНП. Нарушение в структуре этого белка, который, как мы отметили ранее, является лигандом (связующим мостиком с рецептором ЛПНП в клетке), затрудняет захват ЛПНП, что также приводит к избыточному количеству холестерина в крови.
Таким образом, семейная гиперхолестеринемия обусловлена разнообразными видами генетических дефектов рецепторов ЛПНП, более подробное рассмотрение которых здесь представляется излишним. Отметим еще раз, что результатом этих мутаций является нарушение нормального лиганд-рецепторного взаимодействия как вследствие количественных (отсутствие или дефицит), так и качественных (нарушение функции) изменений молекул как рецептора, так и лиганда (апобелка).
Рассматривая генетические аспекты развития атеросклероза, кроме отмеченных мутаций рецептора ЛПНП и апоВ, интересно упомянуть роль гена, регулирующего фермент со сложным названием «пропротеин конвертаза субтилизинкексин тип 9» (PCSK9). Нужны ли такого рода подробности, спросит читатель, полагая приводимые данные излишней теорией. Однако суть в том, что все эти сведения имеют непосредственное практическое значение для людей с избыточным холестерином, поскольку такого рода сведения позволяют читателю посмотреть свою личную «холестериновую историю» с научных позиций и более грамотно подходить к проблеме достижения «правильного» уровня холестерина.
Мутации этого фермента встречаются довольно редко и в основном в популяции темнокожих в Африке. Однако история с этим типом мутации интересна тем, что нашла свое дальнейшее развитие и выразилась в разработке новых лекарственныхпрепаратов для предотвращения атеросклероза. Более подробно о самом ферменте PCSK9, его влиянии на уровень ЛПНП и новейших лекарственных препаратах мы расскажем ниже. Чем семейная (наследственная) гиперхолестеринемия отличается от приобретенной? Приобретенная гиперхолестеринемия характеризуется отсутствием патологии функционирования рецепторной системы. В ее развитии ведущую роль играют так называемые факторы риска развития атеросклероза, которые мы подробно рассмотрим в дальнейшем.
Приведенные данные пока не позволяют говорить о механизме развития атеросклероза, поскольку последний характеризуется поражением сосудов, роль которых мы еще не затрагивали. Очевидно, чтобы говорить о возникновении атеросклеротических поражений сосудов, необходимо рассмотреть, каким образом повышенный уровень ЛПНП (в результате нарушения рецепторного механизма) делает их атерогенными частицами и каким образом эти частицы взаимодействуют с внутренней стенкой кровеносного сосуда, оказывая повреждающее действие. Для чего познакомимся со строением и функцией артерий, по которым течет кровь.
Эндотелий и эндотелиальная дисфункция
Стенка артерии состоит из трех слоев. Внутренний слой – интима – представляет собой монослой эндотелиальных клеток, которые создают поверхность, непосредственно контактирующую с клетками крови. Средний (мышечный) слой располагается непосредственно под эндотелием и состоит из гладкомышечных клеток. Далее следует адвентиция – наружная оболочка артерии, состоящая из большого количества коллагеновых и эластических волокон.
Эндотелий определяется как однослойный пакет специализированных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность сосудов. Функции эндотелиальных клеток многогранны и сложны, а поэтому мы отметим лишь некоторые из них. Прежде всего, эндотелий сосудистой стенки играет важную роль в сохранении жидкого состояния крови и свободного ее тока по сосудам. Эта функция обеспечивается продукцией эндотелием ряда веществ, обладающих противосвертывающими и антиагрегатными свойствами. Эндотелий играет ключевую роль в регуляции сосудистого тонуса и кровотока, процессов коагуляции, тромбоза, иммунных и воспалительных реакций. Сосудодвигательная функция эндотелия реализуется за счет секреции эндотелием специфических веществ, которые можно разделить на вазоконстрикторы (оказывают сосудосуживающее действие) и вазодилататоры (оказывают сосудорасширяющее действие).
Одним из ключевых биологически активных соединений, вырабатываемых в клетках эндотелия, является оксид азота, который предотвращает патологическую перестройку сосудистой стенки и прогрессирование атеросклероза. Американский фармаколог Луис Игнарро в 1998 г. получил Нобелевскую премию «за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в регуляции сердечно – сосудистой системы», что свидетельствует о важном значении этого вещества. Роль этого эндотелиального фактора мы будем отмечать при дальнейшем рассмотрении материала.
Основная барьерная роль эндотелия заключается в регуляции равновесного состояния вырабатываемых биологически активных веществ, вызывающих противоположные процессы.
Различного рода нарушения эндотелия вызывают его дисфункцию. Здесь мы считаем необходимым обратить внимание читателя на то крайне важное положение, что нарушение эндотелиальной функции сегодня считается одним из важнейших независимых факторов риска развития атеросклероза.
К числу таких нарушающих целостность и непроницаемость эндотелия факторов относится гиперхолестеринемия, которая образуется, как мы уже знаем, вследствие нарушения рецепторного механизма метаболизма ЛПНП. Далее мы покажем, что с эндотелиальной дисфункцией ассоциируются и другие факторы риска развития атеросклероза, включающие высокое артериальное давление, гипергомоцистеинемию, сахарный диабет, эндотоксинемию и т. д. Все перечисленные факторы формируют реальные условия для развития и прогрессирования эндотелиальной дисфункции и, таким образом, для развития атеросклероза. Все эти факторы будут подробно рассмотрены нами ниже.
На этом мы завершим краткую характеристику роли эндотелия в развитии атеросклероза. Читателю достаточно понять, что целостность эндотелия и сохранение его физиологической функции является основой здоровья сердечно-сосудистой системы. Эндотелий – первая линия сопротивления наступающему атеросклерозу. А теперь посмотрим, как эту линию обороны нарушает повышенный холестерин (ЛПНП).
Механизм образования
атеросклеротической бляшки
Итак, нарушение рецепторного механизма регулирования уровня ЛПНП приводит к повышенному содержанию в крови этих липопротеинов. Какова их дальнейшая судьба? Исследования процесса развития атеросклероза сегодня надежно указывают, что одним из этапов развития атеросклероза является модификация ЛПНП. В чем заключается эта модификация? Под модификацией понимается перекисное окисление ЛПНП, кардинально изменяющее их свойства. В чем суть перекисного окисления?
Сегодня достоверно установлено, что перекисное окисление ЛПНП происходит под действием так называемых свободных радикалов – высокоактивных молекул, имеющих в своей структуре неспаренные электроны на внешней орбитали. Для биологических систем наиболее важны кислородные свободные радикалы. Все известные кислородсодержащие свободные радикалы объединены термином «активные формы кислорода» (АФК), который мы будем использовать в дальнейшем. Из-за того, что атому кислорода в молекуле радикала не хватает электрона на оболочке, он становится очень активным и стремится прореагировать с другими молекулами, в том числе со структурными элементами клетки: липидами, белками, ДНК, – повреждая таким образом эти структурные части и клетку в целом. Такого рода повреждение в результате действия АФК называется оксидативным стрессом. Особенность и неприятность этого процесса заключается в том, что окисленные свободными радикалами молекулы становятся также свободными радикалами и взаимодействуют с другими молекулами, опять-таки нарушая их структуру. Отсюда и следует название этого процесса – свободнорадикальные реакции. Эти процессы создают мощную разрушительную силу для организма и являются основой возникновения большого количества заболеваний. Что касается атеросклероза, то участие свободных радикалов прослеживается от начальной стадии образования атеросклеротической бляшки до непосредственно «инфарктного» этапа, о чем мы будем говорить неоднократно в дальнейшем.
Наибольшее внимание в работах по атеросклерозу уделено перекисному окислению ЛПНП как основных участников атеросклеротического процесса и как частиц, наиболее подверженных окислению вследствие большого содержания в них полиненасыщенных жирных кислот и низкого содержания в них антиоксидантов.
Каким же образом проявляется модификация ЛПНП? Ранее при рассмотрении рецепторного механизма регулирования уровня ЛПНП мы отмечали, что нативные ЛПНП (не подвергнутые модификации) хорошо узнаются рецепторами ЛПНП различных клеток, взаимодействие которых осуществляет не только доставку холестерина различным клеткам-потребителям, но и его регулирование по принципу обратной связи. Модифицированные ЛПНП уже не распознаются рецепторами, а поэтому их метаболизм посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза (сущность которого мы рассмотрели ранее) нарушается. В этом заключается важнейшее проявление модификации ЛПНП. Очевидно, что такие частицы нуждаются в немедленной элиминации (удалении) из кровотока. Какой же механизм метаболизма ЛПНП приходит в этом случае?
На смену рецепторному механизму приходит механизм метаболизма, связанный с участием клеток иммунной системы, клеток крови, эндотелиальных клеток – метаболизм посредством фагоцитоза. Итак, проследим, какие процессы развиваются после модификации ЛПНП.
Следующим этапом развития атеросклероза сосудов является инфильтрация интимы циркулирующими в крови лейкоцитами-моноцитами. Суть в том, что окисленные ЛПНП хемотаксически привлекают моноциты, и момент установления прочной связи моноцита с клетками эндотелия считается самым ранним этапом своеобразного атеросклеротического воспаления. Напомним здесь, что термин «хемотакис» широко употребляется при рассмотрении иммунологических реакций (chemo – «кровь», а taxis – «траектория движения»). В нашем случае хемотаксические сигналы посылают модифицированные ЛПНП, ставшие для иммунной системы чужеродными клетками, и сигнализируют моноцитам о необходимости предпринять соответствующие «мероприятия» для утилизации «испорченных» ЛПНП. Моноциты принимают эти сигналы и выполняют следующие «мероприятия»: первое – после недолгого пребывания в крови моноциты мигрируют в ткани, второе – в тканях моноциты преобразуются в макрофаги.
Таким образом, скопившиеся в интиме моноциты превращаются в макрофаги. Модифицированные ЛПНП вследствие «поломки» белка апоВ-100 не распознаются ЛПНП-рецепторами, но зато хорошо распознаются так называемыми скэвенджер-рецепторами (рецепторами-мусорщиками) макрофагов. С помощью этих рецепторов макрофаги поглощают модифицированные ЛПНП, однако их поступление в макрофаги не регулируется рассмотренным выше механизмом обратной связи, а поэтому содержание модифицированных ЛПНП в макрофагах растет прямо пропорционально концентрации ЛПНП в крови. Таким образом, макрофаги поглощают окисленные ЛПНП и складируют их как мусор. Перегруженные липидами макрофаги далее превращаются в пенистые клетки (на гистологической картинке такие образования выглядят как сыр с большими дырками, поэтому и называются пенистыми клетками). Пенистые клетки в последующем подвергаются апоптозу – запрограммированной клеточной смерти (сущность и роль апоптоза в жизни клеток мы рассмотрим в завершающей главе книги). При апоптозе происходит выделение холестерина, возникают его очаговые накопления в интиме артерии, что создает предпосылки для развития липидных пятен, а затем и липидных полосок – предвестников бляшки.
Таков начальный механизм формирования атеросклеротической бляшки. По мере прогрессирования рассмотренного процесса в участках отложения липидов разрастается молодая соединительная ткань, что ведет к образованию фиброзных бляшек, в центре которых формируется липидное ядро. По мере созревания соединительной ткани коллагеновые волокна утолщаются, формируя соединительный каркас бляшки, который отделяет липидное ядро от просвета сосуда («покрышка»). Формируется типичная фиброзная бляшка, выступающая в просвет сосуда и нарушающая в нем кровоток. На ранних стадиях формирования бляшки ее липидное ядро хорошо выражено, а покрышка сравнительно тонкая и поэтому может повреждаться под действием различных факторов. Такие мягкие с эластичной покрышкой бляшки называют нестабильными, или осложненными, бляшками. Они, как правило, мало суживают просвет сосуда, но ассоциируются с высоким риском возникновения повреждений и разрывов фиброзной бляшки и образованием тромба. Суть в том, что контакт тромбоцитов с липидным ядром бляшки при его оголении вызывает активацию тромбоцитов: они начинают приклеиваться к поврежденному участку, что приводит к внезапному тромбозу сосуда. Образование пристеночного тромба резко ограничивает кровоток в артерии. В большинстве случае именно в этот период возникают клинические проявления обострения заболевания (нестабильная стенокардия, инфаркт миокарда, внезапная смерть).
В других случаях фиброзная покрышка хорошо выражена, плотная и в меньшей степени подвержена повреждению. Такие бляшки называют стабильными. Они нередко значительно выступают в просвет артерии и вызывают гемодинамически значимое ее сужение – оказывают влияние на кровоснабжение сердца. Прогрессирующее развитие бляшки приводит к существенному сужению просвета коронарной артерии и развитию ишемической болезни сердца.
Итак, мы рассмотрели основные стадии формирования атеросклеротической бляшки. Разумеется, что здесь не приведена вся подробная картина взаимодействия различных веществ, участвующих в многоступенчатом процессе формирования бляшки в интиме артерии. Такого рода подробности для читателя, ставящего своей целью не допустить развития атеросклероза, излишни. Однако внимательный читатель должен заметить, что пусковым механизмом всего описанного выше процесса поражения артерии является модификация ЛПНП вследствие их окисления. Возникает вопрос, имеющий непосредственное практическое значение: перекисное окисление ЛПНП является нормальным биологическим процессом, то есть предусмотренным природой явлением, или же является случайным событием в результате действия каких-либо факторов?
В популярной медицинской литературе, как правило, говорится о пагубном действии свободных радикалов и призывают всех бороться с ними с помощью различного рода антиоксидантов. В действительности же вопрос значительно сложнее. Сегодня хорошо установлено, что образование свободных радикалов является одним из механизмов жизнедеятельности клеток и различных процессов. Такое утверждение основывается на том факте, что процессы свободнорадикального окисления протекают в нашем организме в нормальных условиях. Каким образом это можно проверить? Это можно определить путем измерения продуктов, образующихся в результате процесса окисления. Эксперимент свидетельствует, что в организме имеется нормальный физиологический (фоновый) уровень продуктов окисления, что свидетельствует о строгом контроле за процессом окисления со стороны всей иерархической системы регуляции этого процесса.
Заметим, что в рассматриваемом нами участии ЛПНП в развитии атеросклеротического процесса окисление ЛПНП является, на первый взгляд, «вредным» процессом, поскольку именно такая «модификация» создает предпосылки для развития атеросклеротического процесса. Не просматривается ли здесь «несовершенство» процессов в нашем организме? Нет. Рассмотренный метаболизм модифицированных ЛПНП является компонентом эволюционно выработанного механизма неспецифического врожденного иммунитета, направленного на защиту от чужеродных частиц. Обратной стороной защитной реакции является формирование атеросклеротической бляшки. Другими словами, природный механизм функционирования всей этой сложной системы выбрал вариант развития медленного хронического воспалительного процесса (атеросклероза), негативные результаты которого проявляются к преклонным годам жизни, по сравнению с возможностью быстрой смерти организма от вредного действия «чужеродных» частиц.
Физиологическая роль реакций перекисного окисления в человеческом организме (в норме) затрагивает сложные процессы, на которых мы не будем останавливаться. Что касается ЛПНП, как главного рассматриваемого здесь субстрата окисления, то отмечается, что концентрация в крови модифицированных ЛПНП у здоровых людей составляет не более 0,2% от общего количества, тогда как у лиц с проявлениями атеросклероза содержание окисленных ЛПНП увеличено в 10—100 раз.
Разумеется, что результаты повреждения клеток под воздействием АФК скрыты от нашего взгляда, однако в некоторых случаях их можно обнаружить и визуально. Известно, что с возрастом появляются пигментные пятна на коже, которые представляют липофусцин – внутримолекулярный продукт окисления клеточных липидов и остатков белков, которые остаются в лизосомах при нарушении аутофагии, суть которой мы рассмотрим в дальнейшем. Липофусцин, именуемый «пигментом старости», является по своей сути биомаркером старения. С возрастом он особенно аккумулируется в нейронах и кардиомиоцитах – клетках с повышенным метаболизмом. Отмечается, что в старости этот пигмент составляет до 3% массы сердечной мышцы, что свидетельствует об интенсивности окислительных реакций в миокарде.
Атеросклероз
как воспалительный процесс
Прежде чем перейти к рассмотрению воспалительной гипотезы развития атеросклероза, целесообразно остановиться на сути воспаления. Воспаление – это основная защитная реакция организма на повреждающее действие, тесно связанная с реакциями иммунитета, которые участвуют в развитии воспаления. Приведем элементарный пример воспаления, связанного с простой занозой, попавшей под кожу и загрязненной бактериями. После боли и покраснения образуется гнойный нарыв, который через некоторое время прорывается, и микробы вместе с накопившимся гноем выбрасываются из очага поражения. В таких случаях говорят, что «прошло все само по себе», понимая под этим, что никаких специальных мероприятий не предпринималось. В действительности за этим стоит работа клеток нашего иммунитета. Фагоцитирующие клетки (от phagos – «пожирающий» и kitos – «клетки») начинают активно передвигаться к месту воспаления. Хемотаксические сигналы, в направлении которых фагоциты начинают двигаться, посылают в окружающую среду сами чужеродные клетки. Достигая очага воспаления, клетки-фагоциты осуществляют фагоцитоз, являющийся филогенетически древней реакцией иммунной системы на внедрение чужеродных агентов. Фагоцитоз является стадийным процессом и заканчивается уничтожением «врага». Такова в упрощенном изложении суть цикла «воспаление – фагоцитоз». Процессы, ведущие к фагоцитозу и заканчивающиеся им, составляют суть воспаления. Явление фагоцитоза открыл русский ученый Мечников И. И., получивший за это открытие совместно с немцем П. Эрлихом Нобелевскую премию (1908 г.) «За труды по иммунитету». Подчеркивая важную роль фагоцитов при воспалении, Мечников говорил: «Нет воспаления без фагоцитоза».
Фагоцитоз представляет реакцию нашей иммунной системы на внедрение в организм вредных частиц. Эту исключительно важную функцию врожденного иммунитета обеспечивают специальные иммунные клетки – фагоциты, к которым относятся моноциты, макрофаги и нейтрофилы. Приведем краткую характеристику этих частиц.
Основой всей фагоцитарной системы являются упомянутые нами ранее моноциты. После недолгого пребывания в крови моноциты мигрируют в ткани, где они трансформируются в макрофаги. Макрофаги принимают самое активное участие в неспецифической защите организма от патогенных микроорганизмов. Нейтрофилы – это популяция лейкоцитов, иначе называемая микрофагами, или микрофагоцитами. Срок пребывания нейтрофилов в кровотоке составляет несколько часов, затем они попадают в ткани. Если продолжительность жизни макрофагов измеряется месяцами и даже годами, то нейтрофилы заканчивают свое существование в тканях в течение 3—5 суток. Интересно, что нейтрофилы, не нашедшие за время своей короткой жизни «врагов» и оставшиеся без «работы», фагоцитируются макрофагами. Настоящая «экспроприация экспроприаторов»!
Возвращаясь к рассмотренной выше схеме развития атеросклеротического процесса, мы видели, что именно моноциты являются теми частицами, которые проникают в интиму артерии. Хемотаксический сигнал им подают модифицированные ЛПНП, которые вследствие окисления стали чужеродными для организма частицами. Таким образом, моноциты являются ключевыми иммунорегуляторными клетками, вовлеченными в атеросклеротический процесс, поскольку инфильтрация моноцитов в интиму и последующее их превращение в макрофаги играют, как было отмечено выше, важнейшую роль в запуске и развитии атеросклероза.
Какова роль нейтрофилов в развитии атеросклеротического процесса? Этим фагоцитам также отведена своя «работа». Суть в том, что захват модифицированных ЛПНП рецепторами макрофагов возможен только после полной модификации этих липопротеидов, включающей в себя не только окисление липидов, но и модификацию белка апоВ-100. Как «работает» нейтрофил? Получив от частично окисленного ЛПНП (но уже ставшим чужеродным объектом) сигнал, нейтрофил активируется и резко изменяет свой метаболизм, вырабатывая целый букет высокореактивных соединений, которые окисляют и модифицируют в ЛПНП все: и фосфолипиды, и белки.
Быстрое изменение метаболизма фагоцитирующей клетки с выработкой токсических соединений, а также большого количества свободных радикалов в литературе именуют «респираторным взрывом». Такое название обусловлено тем, что активация ферментов, запускающих реакции образования токсических соединений, происходит за 2—3 секунды, а уровень продукции
АФК увеличивается более чем в 100 раз.
Можно восхищаться «устройством» и «работой» нашего организма, в том числе и иммунной системы. В самом деле, «природа» допустила ошибку, не у всех снабдив клетки организма качественными рецепторами ЛПНП, которые обеспечивают их «правильный» метаболизм. Увеличение количества и продолжительности циркуляции в крови ЛПНП приводит, как мы только что рассмотрели, к их модификации. Модифицированные ЛПНП становятся уже «чужеродными» частицами, они не могут участвовать в «правильном» метаболизме, их необходимо каким-то образом удалить из кровяного русла. Опять-таки «природа» нашла способ исправить допущенную ошибку, осуществив фагоцитарный механизм метаболизма модифицированных ЛПНП. Однако внимательный читатель подметит тот факт, что нейтрофил, осуществив свою модификацию ЛПНП, предоставил тем самым возможность макрофагам захватывать их и удалять из кровотока и одновременно формировать в артерии пенистые клетки – предвестники атеросклеротической бляшки. Получается, что такая «модификация» ЛПНП является одновременно одним из этапов развития атеросклеротического процесса! Более того, продукты «респираторного взрыва» могут поражать структуру других клеток и нарушать их функцию. Особенно токсичны эти продукты для эндотелиальных клеток. Таким образом, нейтрофил-фагоцит одновременно и «друг», и «враг». Почему так происходит? На этот вопрос мы уже дали ответ при рассмотрении двоякой роли макрофагов, удаляющих «врага» и одновременно способствующих развитию атеросклеротического процесса, однако еще раз повторимся: таким обоюдоострым механизмом неспецифического иммунитета природа снабдила наш организм с тем, чтобы выбрать из двух зол наименьшее – почти верная смерть от инфекций или медленное развитие атеросклероза.
Таким образом, уже на ранней стадии развития атеросклеротического процесса мы видим признаки выраженной иммунной активности, проявляющейся участием в процессе активированных моноцитов, макрофагов, нейтрофилов, что позволяет говорить о воспалительном характере атеросклеротического процесса.
Мы пока отметили участие некоторых иммунокомпетентных клеток, в какой-то степени знакомых читателю. В действительности в процесс атеросклероза дополнительно вовлечены различные семейства молекул воспаления, среди которых особое внимание специалистов привлекают так называемые цитокины. Какова их функция? Они являются медиаторами межклеточных взаимодействий при воспалении, иммунном ответе и других взаимодействиях. Одна из особенностей «производства» цитокинов – их секреция практически всеми клетками, участвующими в иммунологических реакциях. Цитокины, ответственные за индукцию иммунитета и одновременно являющиеся инициаторами воспалительного процесса, называются провоспалительными. Важная роль в иммунном ответе принадлежит особому классу цитокинов, получивших название интерлейкинов (ИЛ), которые обеспечивают взаимосвязь отдельных видов лейкоцитов. Сегодня установлено, что в процесс воспаления при атеросклерозе особо активно вовлечены провоспалительные и противовоспалительные ИЛ и цитокин под названием фактор некроза опухолей (ФНО-а). Участие всех типов цитокинов в развитии атеросклеротического процесса крайне многогранно, и такого рода сведения не являются крайне необходимыми читателю, поэтому мы ограничимся одним примером цитокиновой активности.
Мы выше отметили роль макрофагов в формировании атеросклеротической бляшки. Но этим роль макрофагов не ограничивается. Они способны секретировать цитокины и тем самым поддерживать воспалительный процесс, который, как мы выше показали, является частью атеросклеротического процесса.
У многих далеких от медицины людей бытует мнение, что бляшка – это мертвое, застывшее образование. Однако это совсем не так. Атеросклеротическая бляшка богата активированными иммунными клетками, которые могут нарушить целостность бляшки. Суть в том, что прочность покрышки бляшки определяется главным образом скоростью синтеза и разрушения коллагена. Синтез коллагена осуществляется гладкомышечными клетками, тогда как за ее разрушение отвечают макрофаги. При активации макрофагов наблюдается экспрессия провоспалительных цитокинов, активация оксидантного стресса и гибель гладкомышечных клеток. Все эти факторы могут вызвать истончение фиброзного покрытия и явиться причиной разрыва атеросклеротической бляшки, а таким образом и причиной развития острого коронарного синдрома (инфаркт миокарда, внезапная смерть). Таким образом, активация макрофагов и, соответственно, активация локального воспаления в атеросклеротической бляшке является ведущей причиной ее дестабилизации и разрушения.
Мы сочли целесообразным краткое упоминание о цитокинах, чтобы подчеркнуть сложность процессов, развивающихся при атеросклеротическом воспалении.
В настоящее время специалисты в области атеросклероза не сомневаются в связи между атеросклерозом и воспалением. Одно из определений атеросклероза как заболевания звучит следующим образом: «Атеросклероз – есть хронический воспалительный ответ артериальной стенки, инициированный некоторыми формами повреждения эндотелия». Представления об атеросклерозе как воспалительном процессе послужили альтернативой холестериновой гипотезе развития атеросклероза. Если атеросклероз имеет воспалительную природу, то остается ли в силе «холестериновая» природа этого заболевания, которой мы уделили основное внимание? Согласуется ли холестериновая теория атеросклероза с таким определением? Где в ней «воспаление» и «форма повреждения эндотелия»? Рассматривая этапы развития атеросклероза, мы отметили, что фагоцитоз модифицированных ЛПНП моноцитами и макрофагами по своей сути представляет воспалительный процесс, а их последующая инфильтрация моноцитов интимы артерий является основой атеросклеротического повреждения эндотелия. Поэтому большинство специалистов полагают, что проблема первичности нарушений обмена липопротеидов и порожденных ими иммуновоспалительных реакций – все равно как притча о курице и яйце. Это двуединая неделимая проблема, поскольку обе теории тесно связаны между собою и не исключают друг друга. Гиперхолестеринемия и воспаление не являются альтернативными факторами в развитии атеросклероза и представляют собой два взаимосвязанных механизма атеросклеротического процесса.
Холестериновая теория атеросклероза сегодня является одной из наиболее обсуждаемых и признанных специалистам. Ярким и весомым подтверждением холестериновой концепции развития атеросклероза являются впечатляющие случаи преодоления гомозиготной гиперхолестеринемии (суть ее мы отмечали выше), при которой тяжелейший атеросклероз развивается уже в юношеские годы. Убедительно показано, что только регулирование уровня холестерина в крови спасет таких пациентов от смерти.
На этом мы завершим рассмотрение сути холестеринового атеросклероза. Полагаем, что полученные читателем несколько упрощенные, но неискаженные знания о природе атеросклероза позволят ему более грамотно сформулировать свой вопрос вашему лечащему врачу. Поэтому и здоровому, и больному полезно знать о сути процессов, приводящих к атеросклерозу. Больному – чтобы грамотно лечиться, здоровому – чтобы не стать больным. Наконец, познакомившись с таким сложным и тонким механизмом развития атеросклеротического процесса, многим станет понятным, что предлагаемые разными компаниями средства для «чистки сосудов» в большинстве случаев являются бесполезными и «чистят» только ваши кошельки.
В завершение этой главы приведем историческую справку, связанную с изучением роли холестерина в развитии атеросклероза. В 1915 г. группа молодых врачей в Санкт-Петербурге под руководством выпускника Императорской военно-медицинской академии Н. Аничкова в своих экспериментах стала кормить кроликов несвойственной для них пищей – мясом, а также яичными желтками – и обнаружила на стенках коронарных артерий отложения, содержащие холестерин. Так зародилась инфильтрационная теория происхождения атеросклероза (инфильтрация интимы холестерином), связанная с именами русских исследователей Н. Н. Аничкова и С. С. Халатова.
Авторитетное американское издание писало: «Если бы истинное значение находок Аничкова было оценено своевременно, мы бы сэкономили более 30 лет в длительной борьбе за холестериновую теорию атеросклероза, а сам Аничков мог бы быть удостоен Нобелевской премии». Такое заявление было сделано в 2004 г., что свидетельствует о том, что заслуги русского ученого не забыты. Нобелевская премия нашла своих лауреатов в этой области в лице упоминавшихся американских иследователей, которые через 65 лет после опытов Аничкова сделали фундаментальные открытия в области холестеринового обмена, позволившие глубже понять природу атеросклероза.
Глава 2. Биоэнергия
и энергоснабжение миокарда
Жизнь – удивительная выдумка природы.
И. Гете, немецкий поэт и философ
Физиология – это наука, способная объяснить человеку, чем занимаются его внутренние органы, пока он живет.
Георгий Ратнер,
советский врач-кардиолог
Каким образом потребляемая нами пища превращается в источник энергии для функционирования организма
Мы достаточно подробно рассмотрели процесс образования атеросклеротической бляшки. Читатель теперь знает, что образование и последующее повреждение коронарной бляшки, вызывающее агрегацию тромбоцитов и тромбообразование, являются основным фактором, приводящим к развитию инфаркта миокарда.
Однако, чтобы понять механизм развития инфаркта, целесообразно сначала рассмотреть за счет какой энергии работает сердечная мышца, некроз которой возникает при инфаркте. Действительно, природа снабдила нас удивительно надежным «мотором», который способен безостановочно (!) работать в течение 80 лет и более. Какая же энергия обеспечивает бесперебойную сократительную функцию сердечной мышцы, благодаря которой осуществляется кровоток?
В качестве эпиграфа к этому параграфу мы взяли остроумное выражение, принадлежащее известному российскому врачу Г. Ратнеру, который внес большой вклад в развитие сосудистой хирургии и который еще является автором целой книги афоризмов, один из которых мы и позаимствовали. Процесс преобразования потребляемой нами пищи в энергию очень сложен и как раз представляет тот случай, когда «человек совершенно не знает, чем занимаются его внутренние органы, пока он живет». В данном параграфе мы попытаемся представить читателю «работу внутренних органов», связанных с выработкой «биоэнергии» и обеспечением человеческого организма энергией.
Заметим читателю, что мы рассмотрим суть основных этапов этого процесса без их детализации, выделив курсивом те определения и понятия, которые читатель может использовать в качестве ключевых слов для поиска развернутой информации в интернете в случае его заинтересованности.
Почти все имеют общие представления о механической, электрической, ядерной и других энергиях и источниках их производства. А вот каким образом образуется энергия, обеспечивающая нашу жизнедеятельность, и какова ее природа, знают немногие. Поэтому с познавательной точки зрения рассмотрение этого вопроса является вполне обоснованным и разумным.
Основные процессы образования энергии происходят в митохондриях – клеточных органеллах. Одна клетка содержит в среднем 300—400 митохондрий, во всем организме их число измеряется миллионами. Производство энергии в митохондриях – это один из самых необычных и сложных биологических процессов. Мы сочли целесообразным в самых общих чертах рассмотреть процессы, происходящие в митохондриях, поскольку такого рода сведения нам потребуются не только при рассмотрении сути инфаркта миокарда, но и в дальнейших разделах книги. Итак, рассмотрим основные этапы энергообразования в нашем организме.
Первый этап преобразования потребляемой нами пищи в энергию осуществляется до участия в нем митохондрий. Каждый из читателей знает, что белки, жиры и углеводы, содержащиеся в нашей пище, предварительно расщепляются на простые вещества: глюкозу, жирные кислоты, аминкислоты. Дальнейший процесс окисления простых веществ, в чем и заключается важнейший этап производства энергии, протекает в митохондриях и представляет собой цепь очень сложных реакций.
Образовавшиеся простые вещества при распаде сложных молекул углеводов, жиров и белков образуют единый конечный продукт под названием ацетил-коэнзим А (ацетил-КоА). Что бы мы ни ели: хлеб, мясо, масло, – молекулы глюкозы и жирных кислот расщепляются и окисляются до ацетил-КоА, при этом происходит «обезличивание» первичного источника энергии. Подчеркнем, что это соединение является ключевым промежуточным соединением в метаболизме всех основных питательных веществ. Именно в этой форме большая часть «топливных» молекул вовлекается в заключительный этап катаболизма питательных веществ.
Далее ацетил-КоА вступает в серию ферментативных реакций под общим названием цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты, который теперь известен как «цикл Кребса» (по имени выдающегося биохимика Ганса Кребса (1900—1981), открывшего этот цикл и получившего в 1953 году Нобелевскую премию). В чем заслуга этого ученого? Все мы понимаем, что энергия в нашем организме образуется благодаря «сгоранию» потребляемой пищи. Однако всех тонкостей процесса «сгорания» долгое время не знали. Кребс первым сделал фундаментальное открытие процессов преобразования питательных веществ в энергию.
Итак, ацетил-КоА поступил в цикл Кребса. В чем заключается суть этого цикла? Цикл Кребса – это центральная часть общего пути катаболизма питательных субстратов и заключается в окислении ацетил-КоА – ключевого промежуточного соединения в метаболизме всех основных питательных веществ. Цикл представляет собой восемь последовательных реакций, в ходе которых органические кислоты последовательно преобразуются одна в другую. За один оборот цикла, состоящего из восьми ферментативных реакций, происходит полное окисление (сгорание) одной молекулы ацетил-КоА. Рассмотрение сложных реакций цитратного цикла представляется здесь неуместным, и мы остановимся только на образовании некоторых промежуточных соединений, играющих определяющую роль в выработке биоэнергии.
Что цикл Кребса «выдает» за полный оборот? Конечным продуктом окисления ацетил-КоА является углекислый газ (СО
) – углеродные атомы скелета ацетил-КоА высвобождаются в виде СО
и вода (Н
О).
Разумеется, что энергетическая функция цикла заключается не в этом. В каком же веществе заключена энергия после завершения одного оборота цикла Кребса?
Энергия как результат биологического окисления субстратов образуется в митохондриях посредством работы так называемой дыхательной цепи. Организация работы дыхательной цепи осуществляется с помощью синтезированных в цикле Кребса некоторых промежуточных ферментов-дегидрогеназ. Особенность биологического окисления состоит в том, что основной реакцией окисления является реакция дегидрирования – отщепления от субстрата атомов водорода. Важнейшая функция цикла Кребса заключается в дегидрировании «приготовленного» в ходе метаболизма упоминаемого нами ранее ацетил-КоА. В реакциях дегидрирования водородные атомы передаются от субстрата на коферменты дегидрогеназ. Что означают коферменты дегидрогеназ? Чтобы дегидрогеназы могли действовать, необходимо присутствие в их структуре компонента, осуществляющего транспорт водородных атомов. Этот компонент, выполняющий функции первичных акцепторов атомов водорода, отщепляющихся от соответствующих субстратов, и называют коферментом. В зависимости от структуры кофермента дегидрогеназы подразделяются на два основных типа, но мы остановимся только на одном из них – так называемой NAD – дегидрогеназе, которая играет основную роль в процессе энергообразования и в качестве кофермента содержит никотинамид.
Дегидрогеназы отщепляют водородные атомы от молекул клетоного топлива и переносят их на коферменты, в частности, на окисленную форму NAD, образуя ее восстановленную форму – NADH. Какова дальнейшая судьба и роль электронов, присоединившихся к акцепторным молекулам коферментов? Восстановленная форма NADH является сильным восстановителем, то есть донором электронов. Эти электроны от восстановленных коферментов дегидрогеназ должны далее присоединиться к кислороду (акцептору электронов). Но каким образом осуществляется эта передача электронов? В живых системах такая передача осуществляется через так называемую митохондриальную дыхательную цепь, или цепь переноса электронов.
Дыхательная цепь является важнейшей системой образования энергии в митохондриях. Дыхательная цепь – это система структурно и функционально связанных друг с другом переносчиков электронов. Она состоит из четырех белковых комплексов, локализованных во внутренней мембране митохондрий. Здесь происходит последовательное окисление и восстановление участников дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. Еще раз подчеркнем, что особенность биологического окисления заключается в том, что существуют переносчики транспорта электронов от исходного донора (субстрата) к конечному акцептору, которым является молекулярный кислород.
Работа цепи переноса электронов начинается с того, что рассмотренная нами молекула NADH отдает электроны следующему переносчику электронов (убихинону) дыхательной цепи, превращаясь в окисленную форму. Таким образом, первым участником дыхательной цепи является рассмотренный нами NADH-дегидрогеназный комплекс, обозначаемый в научной литературе как комплекс I. (Далее мы неоднократно будем обращаться к характеристике и роли этого комплекса в образовании АТФ). Не приводя характеристику трех следующих участников переноса электронов (комплексы II—IV), отметим, что NADH – восстановленный никотинамд-аденин-динуклеотид -является ключевым звеном в «водородной» энергетике, «энергизатором» всех клеток.
Полный процесс окисления субстратов представляет собой цепь последовательных окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых происходит взаимодействие между переносчиками электронов. Каждый промежуточный переносчик вначале выступает в роли акцептора электронов и из окисленного состояния переходит в восстановленную форму. Затем он передает электроны следующему переносчику и снова возвращается в окисленное состояние. Возникает цепь окислительно-восстановительных реакций. Здесь важно отметить, что при поэтапном окислении – восстановлении элементов дыхательной цепи высвобождается небольшими порциями энергия. Конечный переносчик электронов (называется цитохромоксидаза) – осуществляет последнюю реакцию в дыхательной цепи и переносит электроны на кислород. На этом завершающем этапе дыхательной цепи происходит полное восстановление молекулы кислорода с образованием молекулы воды Н
О. Окисление органических веществ в клетках, сопровождающееся потреблением кислорода и синтезом воды, называют тканевымдыханием. Оказывается, за сутки человек потребляет около 550 л кислорода (основным потребителем кислорода в клетке являются именно митохондрии), при этом в организме образуется примерно 450 мл. эндогенной воды.
Таким образом, в дыхательной цепи высвобождается энергия, часть которой рассеивается в виде тепла, а другая часть используется в дальнейшем для процессов образования фосфорорганических соединений, которые и служат универсальным источником энергии в нашем организме.
Смысл сказанного заключается в том, что сопряженно (одновременно) с транспортом электронов протекает процесс окислительного фосфорилирования. В чем он заключается? Суть его заключается в том, что высвобождающаяся в результате последовательного окисления и восстановления элементов дыхательной цепи энергия переходит в энергию электрохимического градиента протонов на внутренней мембране митохондрий. Созданный электрохимический градиент протонов используется АТФ-синтетазой, которая присоединяет к аденозиндифосфату (АДФ) неорганический фосфат и образуется молекула аденозинтрифосфата (АТФ): АДФ +Н
Ро
+ энергия = АТФ + Н
О. Поэтому говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием, то есть происходит процесс окислительного фосфорилирования.
Когда были раскрыты сложнейшие механизмы образования биоэнергии? Оказывается, что природа сопряжения между процессами окисления и фосфорилирования, обеспечивающих суммарный процесс биоэнергетики, – окислительное фосфорилирование, – оставалась загадкой для биохимиков всего мира вплоть до 1961 года, когда блестящий английский биохимик Питер Деннис Митчелл (1920—1992 гг.) выявил главные структуры механизма окислительного фосфорилирования, за что был удостоен в 1978 году Нобелевской премии по химии «за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии и за разработку хемиосмотической теории». Почему ученый был отмечен столь высокой наградой? Потому что вопрос о механизме окислительного фосфорилирования – это выяснение того, как энергия, образующаяся в дыхательной цепи, трансформируется в энергию фосфатных связей.
Митчелл показал, что энергия, высвобождающаяся в дыхательной цепи при переносе электронов, сопряжена с проталкиванием протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это приводит к разности концентрации протонов по обеим сторонам мембраны. Поток протонов по градиенту концентрации и используется для синтеза АТФ. Таким образом, этот талантливый исследователь первым догадался, что движение электронов по цепи является источником энергии для транслокации (проталкивания) протонов через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность электрохимических потенциалов приводит в действие АТФ-синтетазу, которая в дальнейшем катализирует приводимую выше реакцию фосфорилирования.
Таким образом, Митчелл первым догадался, что на каждом ферментативном комплексе дыхательной цепи энергия, выделяющаяся в ходе окислительно-восстановительных реакций (передача электронов), идет на формирование трансмембранного потенциала, который затем используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ.
Разумеется, что подробное рассмотрение хемиосмотической гипотезы Митчелла, ставшей сейчас общепринятой среди специалистов, крайне сложной для читателя, представляется здесь излишней. Для читателей, желающих в деталях узнать, каким образом образующаяся в дыхательной цепи энергия используется в качестве протонного насоса, перекачивающего протоны из матрикса на наружную сторону мембраны, как образуется электрохимический градиент, как синтезируются молекулы АТФ с помощью АТФ-синтетазы, как устроен этот главный фермент, участвующий в производстве АТФ и работающий по принципу роторного двигателя, и другие подробности образования АТФ, можно рекомендовать любой современный учебник по биохимии, а также очерк известного российского митохондриолога академика Владимира Скулачева «Митчелл и его догадка», который был в дружеских отношениях с Митчеллом и на работах которого мы еще остановимся в дальнейшем.
Понятие окислительного фосфорилирования было сформулировано еще в 1930 г. выдающимся русским биохимиком В. А. Энгельгардтом. Питер Митчелл получил Нобелевскую премию не за открытие нового явления, а за разгадку его механизма.
Он первым объяснил природу сопряжения между тканевым дыханием и фосфорилированием.
Итак, мы рассмотрели процесс образования АТФ. Чем же примечательна молекула АТФ? В силу особенностей структуры это соединение богато энергией, и разрыв связей в молекуле АТФ может происходить таким образом, что высвобождающаяся энергия используется для осуществления жизнедеятельности всего организма, включая, конечно, и работу миокарда. Таким образом, аденозинтрифосфат (АТФ), является главным макроэргическим соединением, которое свою энергетическую функцию реализует в процессе распада молекулы в результате гидролиза АТФ: от АТФ отщепляется фосфатный остаток с образованием АДФ и ортофосфорной кислоты: АТФ + Н
О = АДФ +Н
РО
+ энергия.
АТФ как вещество было открыто учеными Гарвардской медицинской школы еще в 1929 г., однако механизм синтеза этого вещества был раскрыт значительно позже, при этом открытие Митчелла не поставило точку в этом вопросе. Только в 1997 г. химики Пол Бойер (США) и Джон Уокер (Англия) показали, каким образом фермент АТФ-синтетаза осуществляет синтез АТФ. За разгадку природы работы АТФ-синтетазы, которую исследователи назвали «молекулярной электростанцией» в живом организме, эти исследователи были удостоены Нобелевской премии.
АТФ – это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления работы различных органов. Так, клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов, в миокарде за счет АТФ постоянно совершается механическая работа сердечной мышцы, обеспечивающая циркуляцию крови и т. д. Таким образом, АТФ является универсальным донором энергии в большом количестве АТФ-зависимых реакций, поэтому его называют «энергетической валютой». Вместе с тем АДФ – это универсальный акцептор энергии. Цикл АТФ—АДФ – основной механизм обмена энергии в клетке.
